Измерения тока и напряжения

Ток и напряжение являются основными величинами, характеризующими режим электрической цепи.

Обычно ток измеряют амперметром, включенным последовательно с элементом электрической цепи, в котором измеряется ток. Включение амперметра, имеющего сопротивление Ял, вызывает изменение тока в измеряемой цепи, что приводит к погрешности. Погрешность, возникшая в результате включения приборов, называется методической.

Рассмотрим методическую погрешность при включении амперметра в цепь (рис. 12.20). Ток в цепи при отсутствии амперметра I_y=U/R. После включения амперметра ток / становится меньше: I = U / (R + R₄). Относительная погрешность измерения

Для амперметров —

мощность, потребляемая амперметром; Р — мощность измеряемого элемента.

Рис. 11.20. Схема включения амперметра

Методическая погрешность при измерении тока тем меньше, чем меньше потребляемая амперметром мощность по сравнению с мощностью измеряемой цепи.

Напряжение измеряют вольтметром. Вольтметр подключают параллельно к измеряемой цепи (рис. 11.21). При подключении вольтметра режим электрической цепи также меняется и появляется методическая погрешность 8_Г ={U — U_х) / U_х, где U — истинное значение напряжения на измеряемом элементе; 1!, — напряжение на зажимах вольтметра. Находя с помощью законов Кирхгофа U и U_х для электрических цепей, показанных на рис. 12.21,6, после преобразования получаем:

Обычно в вольтметре R « R_v. поэтому отношением R / R_v в знаменателе пренебрегаем.

Методическая погрешность при измерении напряжения тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра R_v по сравнению с сопротивлением измеряемой цепи R или чем меньше потребляемая вольтметром мощность по сравнению с мощностью измеряемой цепи.

Рис. 11.21. Измерение напряжения: а — исходная схема; б — схема измерений

Электрический ток можно измерять с помощью измерительного резистора R_n и вольтметра (рис. 11.22). В этом случае сопротивление R_H выбирают много меньше сопротивления измеряемой цепи R, т.е. R_n « R .

Измерив напряжение U_и, находят ток по закону Ома: I = U_и / R_H. Такой метод измерения тока используют при лабораторных исследованиях, в электронных и радиотехнических цепях, в электрических цепях с большими токами. Универсальные электронные приборы (цифровые и аналоговые), в которых предусматривается измерение тока, содержат во входном устройстве измерительный резистор в качестве датчика тока.

Сложнее всего измерять слишком маленькие и, наоборот, слишком большие токи и напряжения. Для измерения малых токов (до 100 мкА) обычно применяют цифровые микроамперметры или гальванометры с электронными усилителями. Переменные токи более 100 мкА можно измерять выпрямительными микроамперметрами, токи в диапазоне от 10 мА до 100 А в частотном диапазоне до десятков килогерц измеряют амперметрами различных видов. При высоких частотах (до сотен мегагерц) для измерений применяют термоэлектрические приборы.

Для измерения больших постоянных токов (более 100 А) применяют амперметры с шунтами. Параллельно амперметру с внутренним сопротивлением включают шунт с сопротивлением Я_ш (рис. 11.23).

!

Рис. 11.22. Схема измерения тока с помощью вольтметра и измерительного резистора

Шунт ограничивает ток амперметра 1_Л, который не должен превышать максимального предела измерений при любом измеряемом токе:

где П — коэффициент расширения пределов измерения амперметром; Я_ш — сопротивление шунта, R_w = R _л / (и -1).

Рис. 11.23. Измерительная схема амперметра с шунтом

Для измерения больших переменных токов промышленной частоты используют измерительные трансформаторы тока.

Малые напряжения измеряют с помощью электронных цифровых и аналоговых приборов, компенсаторов, позволяющих измерять постоянные напряжения с большой точностью. Для измерения напряжений более 1000 В применяют как электронные, так и электромеханические приборы с добавочными резисторами и измерительными трансформаторами напряжения.

Предел измерения многих вольтметров можно увеличить с помощью добавочного резистора R_n включенного последовательно с вольтметром (рис.

11.24). Измеряемое напряжение откуда

. Коэффициент расширения пределов измерения

вольтметром

Добавочное сопротивление R_d = R_v(m -1).

Рис. 11.24. Измерительная схема вольтметра с добавочным резистором